Techniky senzorické fúze ve vytváření prostorového povědomí

Abstract

Využití pohybových schopností kráčejících robotů vyžaduje schopnost bezpečně interagovat s okolím a pohotově měnit chování v závislosti na zadaném úkolu a daných okolnostech. Bezpečná fyzická interakce je základním předpokladem nasazení robotů v kolaborativních scénářích a v pracovním prostředí sdíleném s lidmi.Tato disertační práce se zabývá zlepšením pohybových dovedností kráčejících robotů a jejich schopností interagovat s prostředím a to pouze na základě zpracování dat z proprioceptivních senzorů. Práce přispívá k dosavadnímu stavu poznání ve dvou hlavních směrech. První směr formuluje metodu detekce dotyku nohou robotu s terénem nebo překážkami pouze na základě poziční zpětné vazby z aktuátorů robotu. Metoda využívá odvozený dynamický model nohy robotu, který zachycuje i dynamiku použitých servomotorů a jejich nízkoúrovňového řízení. Porovnáním konfigurace nohy robotu ze servomotorů s konfigurací predikovanou dynamickým modelem je detekován okamžik kontaktu nohy s překážkou nebo terénem, a to v kterékoli fázi pohybu. Práce zároveň ukazuje, že metoda je dostatečně obecná na to, aby fungovala i s robotickými manipulátory, což je demonstrováno nasazením na malém robotickém ramenu poháněném krokovými motory.Jakákoli interakce robotu s prostředím vyvolává momenty a síly působící na kontrukci robotu v místě interakce. Tyto síly mohou být pro robot očekávané, nebo neočekávané. Mezi očekávané síly patří například reakční síly působící mezi podložkou a chodidly robotu, prostřednictvím kterých se robot pohybuje. Mezi neočekávané síly patří například náraz robotu tělem do překážky. Druhým hlavním příspěvkem této práce je formulace metody pro detekci a odhadování kumulativního působení vnějších momentů a sil působících na robot. Metoda využívá formulovaný dynamický model celého robotu a princip virtuálních prací pro odhadování vnějších momentů a sil působících na robot společně s reakčními silami od podložky.Obě metody jsou testovány v rámci dvou vyvinutých systémů pro řízení chůze robotu a nasazeny na pěti různých kráčejících robotech.

The ability of legged robots to mimic the natural way of animal locomotion that does not rely on a continuous path of support makes them ideal candidates for performing complex tasks in a variety of different environments,including natural, urban, or industrial settings. However, the legged machines have to be able to safely interact with their surroundings and readily change their behavior based on the assigned task and given circumstances, to fully realize their potential. This thesis addresses the development of locomotion skills for legged robots utilizing only proprioceptive sensing in explicit handling of environment interaction events. The dissertation contributes to the state of the art by formulating a model-based leg-contact detection method for anyangle tactile sensing for sensory-restricted robots utilizing the position feedback only and a model-based external wrench estimation method for continuous estimation of external wrench acting on the robot during the locomotion. The contact detection approach utilizes a derived inverse dynamics model to monitor the joint torques and measure the virtual elasticity in the robot’s kinematically controlled joints. The deviation of the set joint configuration and modeled joint configuration is used in detection of the leg contact events and further utilized in the force threshold-based locomotion controller to achieve locomotion in irregular terrains. Furthermore, we demonstrate that the approach can be adjusted to monitor the collisions of a robotic manipulator driven by stepper motors. The proposed model-based external wrench estimation method utilizes the derived whole-body dynamic model and the virtual work principle to allow continuous estimation of the ground reactionforces together with the external wrench acting on the robot. Both methods are studied within the developed decoupled and closed-form locomotion controllers and thoroughly validated with five different multilegged walking robots.